琼脂安全、无毒,是中学化学实验室常见物质。本质上来看它是一种固-液分散系统,其中分散相粒子通过氢键、疏水相互作用、范德华引力、离子桥接、缠结或共价键等相互作用连接而形成连续的三维网,网中充满了大量的连续液相水[1]。这种独特的结构,使得琼脂不像连续液体那样完全具有流动性,也不像有序固体具有明显的刚性。因而琼脂是一种似液体非液体,似固体又非固体,介于固体和液体之间的特殊介质。利用琼脂的独特性质将其作为介质应用于某些中学化学实验可以收到意想不到的效果。

1演示胶体性质

胶体粒子与溶液中离子直径相差甚多,离子由于半径较小能在琼脂凝胶中自由扩散,而胶体粒子则不可以,利用此差别可以设计实验演示胶体与溶液性质的差异。首先将按每100mL蒸馏水0.5g固体琼脂比例制备的温热琼脂液注入3支试管中,液体高度约为试管高度的一半。待琼脂液冷却凝固后分别在3支试管中加入约3mL预先用渗析法除杂后的氢氧化铁胶体、硫酸铜溶液、三氯化铁溶液。静置12h后可发现溶液能在琼脂中扩散,而胶体不扩散,见图1。此实验可以直接演示胶体与溶液分散质粒子直径大小的差异。

2演示离子迁移

传统离子迁移实验都在溶液中进行,往往耗时长效果还不明显,若利用琼脂改进该实验却会事半功倍。首先将1mol/L硫酸铜溶液与1mol/L铬酸钾溶液等体积混合得到混合溶液备用。在100mL1mol/L硝酸钾溶液中加入0.5g琼脂,加热使琼脂溶解。然后将溶解好的琼脂液倒入普通饭盒的盒盖中,趁琼脂尚未凝结时在琼脂中央放入一根饮料吸管,待琼脂凝固后取出吸管,琼脂中间形成一自然的“凹槽”。用滴管吸取硫酸铜和铬酸钾的混合液滴入“凹槽”中。用两片不锈钢薄片分别插入到琼脂两边作为电极,并保持电极间距5cm左右,接上9V直流电电解10min,Cu2+和CrO42-分别向电源负极和正极移动,琼脂凝胶上出现清晰的蓝色和褐色离子色带,见图2。

3演示金属铁的吸氧腐蚀

利用溶液作为介质演示金属铁的吸氧腐蚀时最难表现的是正极产物———氢氧根(OH-)。利用琼脂作为介质可以“固定”住生成的OH-,且能清晰追踪OH-的扩散方向。在80mL1mol/LNaCl溶液中加入0.5g固体琼脂,加热使琼脂溶解。待琼脂全部溶解后,在琼脂液中滴入几滴酚酞试剂并搅拌,使酚酞分散均匀。然后,将琼脂液倒入已在内壁包裹铁皮的100mL小烧杯。待琼脂稍有凝固时将一根碳棒插在琼脂正中间,琼脂凝固时可将碳棒固定。用导线连接铁皮与中间碳棒,一段时间后可观察到紧贴碳棒的琼脂开始变红,表明此处生成了OH-。若导线连接较长一段时间后,可观察到红色区域以碳棒为中心,逐渐向铁皮方向扩散,可证实OH-在正极生成并逐渐向负极扩散。此方法,还可以用于验证铝空气电池正极产物的生成[2]。

4改进电解水实验

中学实验室演示电解水实验一般需要在霍夫曼水电解器中完成,受特制仪器的限制,学生分组实验的难度加大,且该实验的趣味性也稍显不足,巧用琼脂进行该实验,不仅可操作性增强,实验的趣味性也大大增加。图3琼脂中进行的水电解实验如图3,在100mL0.1mol/L硝酸钾溶液中加入0.5g琼脂,加热使琼脂溶解,趁热将琼脂液注入U型管,待注入液体体积约为U型管1/3时停止加入,静置待琼脂液凝固后再在U型管两边分别加入0.1mol/L由硝酸钾溶液、洗洁精液和紫甘蓝汁按体积比5∶1∶1配制的混合液至同一高度。紫甘蓝汁作为反应的指示剂,遇酸会变红,遇碱则会变绿。紫甘蓝汁的制备十分简单,只需选取几片紫甘蓝叶洗净,用刀切碎后放于洁净纱布袋中挤压出汁水即可。以铅笔芯为电极,接入9V直流电源电解10min。可以观察到阴极洗洁精液产生的气泡高度约为阳极产生气泡高度的2倍,可指示电解水过程中生成的氢气体积约为生成氧气体积的2倍。同时可以观察到阳极液为红色,阴极液为绿色,反应后将两极电解液倒出混合后溶液重新变为原先的紫色,可证实电解过程中电解的物质为水。若将此实验用于高中学生讲解电解原理,则可以通过两极溶液颜色变化,分析电解过程中阳极放电微粒为OH-、阴极放电微粒为H+。此实验中,琼脂有效地将电解液分为了阳极室和阴极室,很好地实现了2极产物的分离。利用此装置进行电解饱和食盐水的实验,同样能很好地分离电解产物,实验效果会大大增强。

5结语

琼脂的独特性质,使得其在中学化学实验,尤其是电化学实验中有着不俗的表现。先前已有一些研究者注意到了琼脂的特性设计了利用琼脂制作“美丽金属树”的实验[3]以及在凝胶中的趣味电解实验[4]和电泳实验[5]。此外,国内文献中鲜有关于琼脂深层次应用的报道,希望我们的以上尝试能给后续研究者一些借鉴与启发,开发出更多更好的中学化学实验。